一種采用多級熱耦合v-m型脈沖管制冷機的制冷系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及回熱式低溫制冷機技術領域，特別涉及到液氦溫區小型低溫制冷技術領域的多級熱耦合的V-M型脈沖管制冷機。
【背景技術】
[0002]液氦溫區低溫制冷機在低溫物理、深空探測、低溫超導學、低溫電子學等領域中有廣泛的應用需求，對于促進低溫物理、深空探測、低溫超導等學術領域發展具有重要的作用，這些行業領域同時對小型制冷機提出了更高的要求，需要在緊湊系統下提供較高的工作效率。
[0003]目前工作于液氫以上溫區(20K)可采用斯特林制冷機或者斯特林型脈沖管制冷機技術，該類型制冷機采用活塞往復運動，在系統內形成壓力波動，其本質為可逆循環，具有較高的效率，工作頻率通常為30-100HZ，系統體積重量較小，計算以及實驗結果表明，在液氫以上溫區，氦氣可認為是理想氣體，同時與常用回熱器填料相比，回熱器填料比熱容相對較大，在該溫區通常能夠取得較高效率，同時高頻運行能夠獲得相對較小的系統體積。然而對于液氫以下溫區，由于氦氣特性偏離理想氣體，同時傳統回熱器填料例如不銹鋼、磷青銅等體積比熱容下降非常明顯，回熱器效率變差，因此需要采用鉛球、HoCu等磁性填料，受限于制作工藝，該類填料只能做成球狀或者緊球狀，如果仍保持高頻率運行，將導致回熱器與氣體換熱變差，并且阻力損失大幅增加，因此為達到液氦溫區(4K)下高效運行，系統運行頻率需保持在5Hz以下。G-M型制冷機即保持在l-2Hz附近的運行頻率，目前為到達液氦溫區的主要制冷機。而對于G-M型制冷機或者G-M型脈沖管制冷機，其采用油壓縮機產生高壓氣體，結合高低壓切換閥，在制冷機內形成周期性高低壓氣體循環，進而產生制冷效應；其優勢在于切換閥運行頻率低，在回熱器內的損失較小，有利于到達液氦等溫區，制冷機能夠達到較高效率。但是一方面高低壓切換閥阻力較大，氣體流經時產生較大的壓降損失，系統熱效率難以提高；另一方面油壓縮機需要配備油分離器等設備，系統體積龐大，并需要進行定期維護，壽命難以保證。
[0004]而維勒米爾制冷機(V-M型)的壓力波發生器結構，在小型電機的帶動下，氣體在熱端進行加熱，壓力升高，在冷端進行冷卻，壓力降低，壓力波動的頻率則由小型電機驅動，能夠在l-5Hz范圍內運行。該類型壓力波發生器依靠冷熱溫差產生，具有可靠性高、系統緊湊等明顯優勢。
[0005]而斯特林型制冷機，為達到液氫溫區，通常也需要多級結構，其中一級主要在液氮以上溫區產生冷量，通常預冷二級結構，進一步降低二級冷端溫度，二級冷端工作于20-30K溫區O
[0006]將多級斯特林型制冷機的一級冷端作為V-M型壓力波發生器的冷端，利用低溫與室溫(或者輔助加熱)間的溫差，將高頻下的冷源轉換為低頻下的壓力波動，能夠充分利用高頻斯特林脈沖管制冷機體積小、液氫以上溫區效率高、可靠性高及結構緊湊等優點。而低溫側脈沖管制冷機，依靠V-M型壓力波發生器產生的低頻壓力波驅動，同時采用高頻斯特林型脈沖管制冷機的二級及以上冷源作為預冷，工作在液氦溫區，能夠充分發揮該溫區低頻操作帶來的壓降小、換熱效率高等優點。由于低溫段V-M型脈沖管制冷機被預冷到液氫溫區，制冷機熱端與冷端間溫差較小，所消耗聲功(PV功)較小，因此能夠V-M型壓力波發生器的系統體積。
[0007]因此，作為本發明主要
【發明內容】
的多級耦合結構，在斯特林脈沖管制冷機與低溫側脈沖管制冷機之間，通過采用多級熱耦合的方式，能夠充分利用多級高頻斯特林制冷機不同級的制冷量，盡量減小低頻系統所消耗功率，進一步改善整機溫度場分布，利用能夠有效改善系統熱效率，利用斯特林型制冷機的高頻運行優勢，減小了低頻V-M型壓力波發生器驅動功率，減小了整機體積與質量，對于提高系統緊湊性、改善制冷機競爭力有重要意義。

【發明內容】

[0008]本發明目的在于解決現有液氦溫區制冷機體積龐大、效率低、振動大等問題，而提供一種采用多級熱耦合V-M型脈沖管制冷機的制冷系統，該制冷系統可工作于液氫溫區以上，其具有熱效率高、結構緊湊、體積小及免維護等優點；
[0009]本發明的技術方案有以下四種結構:
[0010]一、如圖1所示，本發明提供的采用多級熱耦合V-M型脈沖管制冷機的制冷系統，其由一個高頻壓力波發生器1、兩級斯特林型脈沖管制冷機、一個低頻V-M型壓力波發生器和一個低溫側脈沖管制冷機組成；
[0011]所述兩級斯特林型脈沖管制冷機中的第一級斯特林型脈沖管制冷機由依次連接于所述高頻壓力波發生器I出口端的一級熱端換熱器2、一級回熱器3、一級冷端換熱器4、一級脈沖管5、一級脈沖管熱端換熱器6、一級慣性管7和一級氣庫8組成；所述兩級斯特林型脈沖管制冷機中的第二級斯特林型脈沖管制冷機由依次連接于所述一級冷端換熱器4出口端的二級回熱器10、二級冷端換熱器11、二級脈沖管12、二級脈沖管熱端換熱器13、二級慣性管14和二級氣庫15組成；
[0012]所述低頻V-M型壓力波發生器由室溫排出器及通過連接管路依次連通于所述室溫排出器下部空腔的壓縮機熱端換熱器19、壓縮機側回熱器20、壓縮機側冷端換熱器21、熱緩沖管23和熱緩沖管熱端換熱器22組成，所述熱緩沖管熱端換熱器22通過氣體連接管路與室溫排出器上部空腔相連通；所述室溫排出器由排出器殼體、裝于排出器殼體之內的室溫排出器活塞18和固定安裝于所述室溫排出器活塞18上端的驅動電機連桿34組成；
[0013]所述低溫側脈沖管制冷機由依次連接于所述壓縮機側冷端換熱器21出口端的低溫側第一換熱器24、低溫側第一回熱器25、低溫側中間換熱器26、低溫側第二回熱器27、低溫側冷端換熱器28、低溫側脈沖管29、低溫側脈沖管熱端換熱器30、第一閥門31和低溫側氣庫33組成；
[0014]所述室溫排出器和壓縮機熱端換熱器19間的連接管路與所述低溫側脈沖管熱端換熱器30和第一閥門31間的連接管路之間裝有第二閥門32 ;
[0015]所述壓縮機側冷端換熱器21和熱緩沖管23以及一級冷端換熱器4和第一級脈沖管5通過第一熱橋9相并聯；
[0016]所述二級冷端換熱器11和二級脈沖管12以及所述低溫側中間換熱器26通過第一熱橋17相并聯。
[0017]其中，壓縮機側冷端換熱器21通過熱橋9被一級冷端換熱器4冷卻，熱緩沖管熱端換熱器22通過連接管與室溫排出器18上部空腔連通；在壓縮機側冷端換熱器21處，一部分氣體壓力波動進入熱緩沖管23，另一部分進入低溫側第一換熱器24 ;
[0018]在低溫側脈沖管制冷機采用針閥+雙向進氣的調相結構形式；如圖1所示，第一閥門31、第二閥門32及第二氣庫33共同組成調相機構，第一閥門31位于第二氣庫32與第二脈沖管熱端換熱器30之間，第二閥門32連接低溫側脈沖管熱端換熱器30與壓縮機熱端換熱器19，形成雙向進氣機構。
[0019]二、如圖2所示，本發明提供的采用多級熱耦合V-M型脈沖管制冷機的制冷系統，其由一個高頻壓力波發生器1、三級斯特林型脈沖管制冷機、一個低頻V-M型壓力波發生器和一個低溫側脈沖管制冷機組成；
[0020]所述三級斯特林型脈沖管制冷機中的第一級斯特林型脈沖管制冷機由依次連接于所述高頻壓力波發生器I出口端的一級熱端換熱器2、一級回熱器3、一級冷端換熱器4、一級脈沖管5、一級脈沖管熱端換熱器6、一級慣性管7和一級氣庫8組成；所述三級斯特林型脈沖管制冷機中的第二級斯特林型脈沖管制冷機由依次連接于所述一級冷端換熱器4出口端的二級回熱器10、二級冷端換熱器11、二級脈沖管12、二級脈沖管熱端換熱器13、二級慣性管14和二級氣庫15組成；所述三級斯特林型脈沖管制冷機中的第三級斯特林型脈沖管制冷機由依次連接于所述二級冷端換熱器11出口端的三級回熱器36、三級冷端換熱器37、三級脈沖管41、三級脈沖管熱端換熱器42、三級慣性管43和三級氣庫44組成；
[0021]所述低頻V-M型壓力波發生器由室溫排出器及通過連接管路依次連通于所述室溫排出器下部空腔的壓縮機熱端換熱器19、壓縮機側回熱器20、壓縮機側冷端換熱器21、熱緩沖管23和熱緩沖管熱端換熱器22組成，所述熱緩沖管熱端換熱器22通過氣體連接管路與室溫排出器上部空腔相連通；所述室溫排出器由排出器殼體、裝于排出器殼體之內的室溫排出器活塞18和固定安裝于所述室溫排出器活塞18上端的驅動電機連桿34組成；
[0022]所述低